中心議題：
- 展望便攜式醫(yī)療電子的發(fā)展趨勢(shì)
- 探討便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的電路保護(hù)方案
- 便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備中電容的使用案例
便攜式醫(yī)療電子被許多電子廠商當(dāng)作下一個(gè)掘金點(diǎn)，其中既包括專(zhuān)業(yè)的便攜式醫(yī)療電子設(shè)備，也包括家庭和個(gè)人的健康護(hù)理產(chǎn)品。
便攜式醫(yī)療電子將在近年內(nèi)迎來(lái)快速發(fā)展。首先，全球，尤其是中國(guó)，大量人口分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)，無(wú)法享受到應(yīng)有的醫(yī)療保障，需要有便攜式醫(yī)療設(shè)備在家中實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)控。第二，人口老齡化已成為趨勢(shì)，老年人的很多保健需求可以借助便攜式醫(yī)療電子在家里完成，隨著相關(guān)產(chǎn)品的普及，家庭醫(yī)療、遠(yuǎn)程看護(hù)必將大大減輕醫(yī)療系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。第三，醫(yī)用的便攜式醫(yī)療電子設(shè)備能大大方便醫(yī)生的診斷，間接提升醫(yī)院的效率。
這是一塊還未被開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)，有很大的增長(zhǎng)潛力。在便攜式醫(yī)療電子市場(chǎng)中，家用電子市場(chǎng)達(dá)到65.4%的份額，而且市場(chǎng)呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2008年市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度達(dá)到28%。而該市場(chǎng)中的電子血壓計(jì)、便攜式血糖儀和電子助聽(tīng)器占據(jù)了90％以上的銷(xiāo)售份額。看來(lái)，血壓計(jì)、血糖儀等產(chǎn)品是中國(guó)家用便攜產(chǎn)品的主力。
便攜醫(yī)療電子的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：
與無(wú)線技術(shù)的融合：許多手持式的心電圖或者血糖儀產(chǎn)品，這些產(chǎn)品里面已經(jīng)加入通訊模塊或者通訊接口。用戶可以在家里進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)，把監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送給醫(yī)護(hù)人員，足不出戶得到專(zhuān)業(yè)醫(yī)護(hù)人員的指導(dǎo)。這似乎與無(wú)線設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)有些相似。
微創(chuàng)化：比如便攜式的血糖儀，用測(cè)試針開(kāi)小窗口測(cè)量血液。隨著光電技術(shù)以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，微創(chuàng)化也將成為趨勢(shì)。
友好的人機(jī)交互：便攜式醫(yī)療電子可以分為家用和醫(yī)用。對(duì)于家用的設(shè)備來(lái)說(shuō)，人機(jī)交互的能力非常重要。醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)通常只有專(zhuān)業(yè)人員才能看懂，如何通過(guò)友好的軟件和硬件，讓普通使用者也能了解到各個(gè)參數(shù)的意義？另外，和便攜式的電子設(shè)備一樣，觸摸屏的使用、語(yǔ)音提示等等直觀的表現(xiàn)方法也將越來(lái)越多地用于產(chǎn)品中去。
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便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的電路保護(hù)
便攜式電子產(chǎn)品對(duì)電路保護(hù)的要求包括電路響應(yīng)時(shí)間短、功耗小、需要滿足對(duì)環(huán)境的要求。下面，分別從過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)三方面來(lái)論述便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品所采用的保護(hù)方案。
過(guò)流保護(hù)元件是一種非線性正溫度系數(shù)熱敏電阻一旦有過(guò)流狀態(tài)出現(xiàn)，過(guò)大的電流讓保護(hù)元件發(fā)熱使阻值發(fā)生變化，由低阻態(tài)躍變?yōu)楦咦钁B(tài)，從而限制電流，使被保護(hù)的電路免受過(guò)流損壞；在過(guò)流故障排除后，保 護(hù)元件冷卻，自動(dòng)由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，恢復(fù)正常工作。這種保護(hù)元件稱(chēng)為自復(fù)式過(guò)流保護(hù)元件，如瑞侃電子的PolySwitchTM元件。在未過(guò)流時(shí)，其電阻值很?。ú煌念~定電壓下阻值不同，一般為零點(diǎn)幾Ω到幾Ω）；在過(guò)流發(fā)生時(shí)，其電阻值可達(dá)mΩ，電流極小接近“斷開(kāi)”，且斷開(kāi)時(shí)間（time-to-trip）更短。
便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品也常常需要充電，充電的保護(hù)也可以通過(guò)PolySwitchTM元件完成。下圖就是充電器中PolySwitchTM元件的應(yīng)用。虛線框內(nèi)是電池組，PolySwitchTM元件在其中作充、放電過(guò)流保護(hù)。
過(guò)壓保護(hù)元器件并聯(lián)在被保護(hù)的電路上（見(jiàn)下圖）。在輸入電壓未過(guò)壓時(shí)，過(guò)壓保護(hù)元器件呈高阻態(tài)，其泄漏電流甚微；一旦輸入電壓過(guò)壓時(shí)，過(guò)壓保護(hù)元器件在瞬 間提供低阻抗通路，并將電壓鉗位于安全的低電壓，從而保護(hù)電路免受過(guò)壓損害。當(dāng)輸入電壓降落到正常工作電壓時(shí)，過(guò)壓保護(hù)元器件會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到高阻態(tài)。多層壓敏電阻（MLV）及ESD保護(hù)元件PESD就是常用的過(guò)壓保護(hù)元件。
MLV、PESD除用過(guò)壓保護(hù)外，也是靜電放電（ESD）保護(hù)元件。在插拔便攜式產(chǎn)品的各種插頭時(shí)，各端口很容易受到靜電放電的損壞，因此插拔端口都需要加ESD保護(hù)元器件。
現(xiàn)在，市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)通過(guò)便攜式醫(yī)療電子終端直接實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)話和虛擬診療的方案。對(duì)于以觸摸屏為主要的人機(jī)交互界面，同時(shí)需要傳輸告訴的音視頻信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，需要在實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)的同時(shí)滿足信號(hào)傳輸質(zhì)量。在電腦、手機(jī)中使用的PESD產(chǎn)品也將大量應(yīng)用在便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品中。PESD的抑制特性如下：
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現(xiàn)在，市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)通過(guò)便攜式醫(yī)療電子終端直接實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)話和虛擬診療的方案。對(duì)于以觸摸屏為主要的人機(jī)交互界面，同時(shí)需要傳輸告訴的音視頻信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，需要在實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)的同時(shí)滿足信號(hào)傳輸質(zhì)量。在電腦、手機(jī)中使用的PESD產(chǎn)品也將大量應(yīng)用在便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品中。PESD的抑制特性如下：
過(guò)流過(guò)壓保護(hù)方面，瑞侃電子PolyZenTM元件器件是由精密齊納二極管和聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）元件組合而成的集成電路。它是用于防止感應(yīng)尖峰電壓、瞬間高電壓、錯(cuò)用電源適配器對(duì)電路產(chǎn)生過(guò)壓、過(guò)流危害的保護(hù)器件。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。
在正常工作時(shí)，VIN輸入電壓高于齊納二極管的擊穿電壓VZ，有IFLT電流經(jīng)齊納二極管到地，VOUT輸出穩(wěn)定的電壓。有不正常的過(guò)壓輸入VIN 時(shí)，則齊納二極管的IFLT會(huì)產(chǎn)生過(guò)流，當(dāng)器件上有過(guò)流時(shí)，其電阻由低阻態(tài)瞬變到高阻態(tài)，使在其上的壓降大增，VOUT輸出基本不變，而流過(guò)齊納二極管的 電流IFLT反而減小，如下圖所示。器件上電壓降的增大既保護(hù)了齊納二極管，又保護(hù)了下游的電路。另外，若被保護(hù)的下游電路中存在有局部短路或短路故障 時(shí)，IOUT會(huì)增加，PPTC元件由低阻態(tài)變成高阻態(tài)，可使電路得到過(guò)流保護(hù)。
此外，可以用作過(guò)壓保護(hù)的還包括：
變阻器：金屬氧化物變阻器（MOV）是一種電壓鉗位元件，如電壓超過(guò)閥值則其阻抗將變得非常小。MOV具有高度非線性電壓阻抗（V-I）特性，反應(yīng)速度快，能承受很高峰值電流，待機(jī)狀態(tài)下漏 泄電流又較低。其主要應(yīng)用是保護(hù)那些必須滿足“瞬態(tài)電壓浪涌抑制器”UL1449所列要求的產(chǎn)品免受雷電損害，經(jīng)常會(huì)用在便攜式醫(yī)療設(shè)備中。
ESD抑制器：高密度電路都很容易受到靜電或ESD的侵害。因此要求許多新的電子設(shè)備必須滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。靜電（ESD）抑制器的聚合物結(jié)構(gòu)使得制造商可生產(chǎn)出各種形狀因子和配置的ESD抑制器，以滿足各種不同應(yīng)用的需要。該器件具有小于IPF的電容，可提供良好的限制信號(hào)降級(jí)和衰減的性能，以保證高速數(shù)據(jù)能正常工作。
便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品大多使用電池組。隨著多功能保護(hù)IC的出現(xiàn)，電池組設(shè)計(jì)人員也將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向采用單個(gè)多功能保護(hù)器件的安全應(yīng)用。隨著市場(chǎng)越來(lái)越多地依賴(lài)保護(hù)IC，對(duì)電路來(lái)說(shuō)ESD 保護(hù)也變得非常關(guān)鍵。雖然IC很容易整合多種功能，但它們?nèi)菀资艿?/span>ESD和熱過(guò)載的影響。分立二極管、多層變阻器或基于聚合物的ESD解決方案對(duì)保護(hù)IC的ESD結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效補(bǔ)充，提供最高至15kv的ESD保護(hù)。
除了ESD，保護(hù)IC還容易受到長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載條件下的熱應(yīng)力影響。由于IC的擊穿特性，因此有可能存在一種故障模式，即電路在安全工作限制之外仍能正常工作。隨著對(duì)多功能保護(hù)IC依賴(lài)的增強(qiáng)，保險(xiǎn)絲保護(hù)方案僅用于冗余保護(hù)。
在降低下一代便攜式應(yīng)用系統(tǒng)成本和尺寸的設(shè)計(jì)趨勢(shì)下，設(shè)計(jì)人員正致力于用多功能保護(hù)IC來(lái)替代多個(gè)分立元件。為繼續(xù)保持用戶期待的高級(jí)別安全性，電池組設(shè)計(jì)人員正在用多功能保護(hù)IC實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單電路取代功能差不多的ESD和保險(xiǎn)絲保護(hù)。這可使設(shè)計(jì)人員在降低整體系統(tǒng)成本的同時(shí)，繼續(xù)保持便攜式醫(yī)療設(shè)備用戶期待的安全保護(hù)性能。
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便攜式醫(yī)療設(shè)備使用的大容量電容的類(lèi)型如下：
便攜式醫(yī)療設(shè)備使用的大容量電容的類(lèi)型如下：
對(duì)使用可充電二次電池的便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以使用多種類(lèi)型的充電器：降壓充電器、離線充電器或者線性穩(wěn)壓器/充電器。最常用的類(lèi)型是降壓充電器。這種充電器可以把電池源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓并予以穩(wěn)壓。轉(zhuǎn)換器可通過(guò)外部交流/直流適配器或者內(nèi)部適配器電路供電。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)緊湊，非常適用于低容量電池充電器應(yīng)用。單芯片集成解決方案既可為便攜式設(shè)備供電，同時(shí)還可單獨(dú)對(duì)電池進(jìn)行充電。
下圖是小型直流/直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的例子(使用威世 Siliconix Si9731實(shí)現(xiàn)的鋰離子或鎳鎘/鎳氫微處理器電池充電器)。它可以為電池充電器提供同步脈沖開(kāi)關(guān)。該脈沖電池充電系統(tǒng)散熱小，采用TSSOP封裝，高度僅1.2毫米。該器件特性豐富，其中包括可在關(guān)斷時(shí)將電池（Vbat）和外部電源隔離開(kāi)來(lái)。
充電器中使用的電容有多種類(lèi)型。輸入去耦電容用于旁路噪聲。一般將0.1μF MLCC電容布置在Vcc引腳附近，用來(lái)濾除高頻噪聲。
輸出電容類(lèi)型的選擇應(yīng)取決于合適的ESR，以符合穩(wěn)定負(fù)載線路范圍，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行下列項(xiàng)目的評(píng)估：
1. 能夠降低功耗
2. 能夠降低紋波電壓
3. 能夠滿足系統(tǒng)負(fù)載線路的要求
轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)提供負(fù)載電流和電壓。隨著負(fù)載的變化，電流的增加，電壓會(huì)下降。穩(wěn)壓器可以保持恒定電壓，但對(duì)負(fù)載電流的變化不能迅速做出響應(yīng)，所以使用大容量電容來(lái)應(yīng)對(duì)這樣的變化，防止電壓下降。如果轉(zhuǎn)換器輸出的電流要通過(guò)電感，它就無(wú)法瞬時(shí)響應(yīng)，這時(shí)就需要在負(fù)載兩端跨接一個(gè)并聯(lián)電容組，來(lái)上拉電壓。有時(shí)會(huì)混合使用MLCC和鉭電容，以降低總體大容量電容的ESR。由于MLCC的阻抗較低，會(huì)先充電，然后才是大容量鉭電容。
便攜式醫(yī)療設(shè)備使用的電池或?yàn)橐淮涡噪姵?，或?yàn)槎坞姵?。一次性電池一般只使用一次。在電路工作過(guò)程中，活性化學(xué)物質(zhì)被消耗殆盡。一旦放電完畢，電路將停止工作，必須更換新的電池。二次電池可以在放電完畢后充電，因?yàn)楫a(chǎn)生電能的化學(xué)反應(yīng)可以逆轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)充電。電源、電池類(lèi)型的選擇視應(yīng)用而定。醫(yī)療設(shè)備常用的一次性電池類(lèi)型有堿性電池和鋰電池。
二次電池有鋰離子 (Li-ion) 電池、鎳鎘電池 (NiCad)、鎳氫(NiMH) 電池和鉛酸電池。其中鋰離子電池最常用，這是因?yàn)殇囯x子電池的體積能量密度和質(zhì)量能量密度最大，放電率極低，這意味著閑置時(shí)有良好的荷電保持能力。鉭電容的功耗及容量范圍如下：
便攜式設(shè)備電路需要輸出電容，而輸出電容通常由一次性或者二次電池供電，可以在負(fù)載瞬變過(guò)程中減輕電壓過(guò)沖或者下沖。要有效地濾除噪聲，電容的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 是重點(diǎn)考慮的參數(shù)。輸出電容用來(lái)處理電路的紋波電流和電壓。需要對(duì)電容組的過(guò)熱予以控制，這樣在電路工作中，不會(huì)超過(guò)最大允許功耗。需要確定的是，通過(guò)輸出電容的紋波電流不超出允許值。
上表概述了在+25?C和f=100kHz條件下各種封裝（按外殼尺寸劃分）的最大允許額定功率。對(duì)溫升在+25℃以上的應(yīng)用，建議應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行降額。請(qǐng)參考電容生產(chǎn)廠家關(guān)于針對(duì)可適用的鉭電封裝的功率降額建議。
可使用公式P=Irms2 x ESR計(jì)算出最大允許交流紋波電流 (Irms)，其中P表示鉭電容外殼尺寸對(duì)應(yīng)的最大允許功率，ESR則可根據(jù)電容的工作頻率計(jì)算得出。
對(duì)鉭電容，還需要遵守合適的電壓降額規(guī)范，不可超出生產(chǎn)廠家建議的額定值。輸出電容的工作電壓應(yīng)由電壓電路狀態(tài)決定。其可根據(jù)公式 Vrated=Vpeak+Vdc計(jì)算得出，即紋波電壓加上直流電壓噪聲。允許的紋波電壓的計(jì)算方法為E=IxZ，其中Z表示電容器電阻?？傮w來(lái)說(shuō)，較低的ESR可以幫助降低輸出紋波噪聲。
在電路中加入大容量電容還能在無(wú)負(fù)載條件下（此時(shí)電池尚未工作，使用線路電流供電）起到上電作用。當(dāng)使用線路電流供電時(shí)，在選擇大容量鉭電容的額定值的時(shí)候，應(yīng)遵從降額規(guī)范。
